一種氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法與流程
2023-10-30 11:45:02
本發明屬於火力發電廠scr煙氣脫硝設備運行過程中的氨逃逸濃度控制領域，具體地是涉及一種氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法。
背景技術：
選擇性催化還原方法(selectivecatalyticreduction，scr)是目前國內外大型燃煤機組上廣泛採用的主要脫硝工藝。scr脫硝工藝以氨(nh3)為還原劑，氨氣經噴氨格柵噴入煙道，與煙氣充分混合，進入scr反應器，在多層催化劑作用下，把煙氣中的nox還原成n2和h2o，完成nox的脫除。其中脫硝效率和氨逃逸濃度是脫硝設備相互依存的兩個最重要性能指標。對於給定的脫硝設備，脫硝效率越高，對應的氨逃逸濃度也越大。脫硝設備性能隨運行時間劣化過程中，脫硝效率維持不變時，對應的氨逃逸濃度會逐漸增加。脫硝反應器出口煙氣中的逃逸氨，會與煙氣中的so3在空氣預熱器冷端約140-220℃溫度區間生成高粘性硫酸氫銨，在換熱元件表面沾粘煙氣中的飛灰顆粒，逐漸累積在換熱元件之間形成堵塞，減小煙氣通流面積，增加空氣預熱器煙氣側阻力。空氣預熱器常規設計煙氣阻力約1.0kpa，因硫酸氫銨堵塞而運行阻力約1.5-2.0kpa，甚至高達3.5kpa，不僅大幅度增加引風機電耗(每千帕阻力增加的引風機電流：300mw機組約30a，600mw機組約60a，1000mw機組約100a)，甚至嚴重影響機組帶負荷。
減少脫硝反應器出口煙氣中的氨逃逸濃度是解決空氣預熱器硫酸氫銨堵塞的根本措施，為此，scr採用在線氨逃逸cems儀表來檢測煙氣中的氨逃逸濃度，據此控制噴氨量防止氨逃逸濃度過大。氨逃逸cems儀表主要採用原位式或者抽取式可調諧半導體雷射吸收光譜法進行測量，受煙塵濃度、空間振動以及大截面單點測量代表性低等因素的影響，在線cems儀表顯示值普遍不可靠。這使得scr噴氨量控制處於無依據的盲目狀態，經常造成氨逃逸過大了而不自知，並直至脫硝設備性能低於臨界性能和空氣預熱器堵塞嚴重了，才考慮催化劑性能提效，使得此後催化劑採購期間的氨逃逸一直過大，加劇下遊硫酸氫銨堵塞。
因此，本發明的發明人亟需構思一種新技術以改善其問題。
技術實現要素：
針對scr煙氣脫硝氨逃逸濃度在線cems檢測不可靠而引發的空氣預熱器硫酸氫銨嚴重堵塞問題，本發明提供了一種氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：
一種氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法，包括如下步驟：
s1：現場測試scr反應器入口和/或出口的nox濃度、nh3/nox摩爾比、脫硝效率和氨逃逸濃度；
s2：利用所述步驟s1獲取的數據，計算當前機組實際運行負荷下的scr反應器潛能，並根據dcs錶盤顯示的scr反應器入口nox濃度和脫硝效率實時預測氨逃逸濃度；
s3：根據氨逃逸濃度預測值和預先設計的氨逃逸濃度上限值，預測未來一段時間內的氨逃逸濃度，並通過人工或者自動化的方式控制噴氨量。
優選地，所述步驟s1具體包括：
在機組高、中、低3個負荷點下現場測試scr反應器入口的nox濃度、nh3/n0x摩爾比、脫硝效率和氨逃逸濃度。
優選地，所述步驟s2具體包括：
s21：利用式1計算各負荷點的脫硝反應器潛能p；
式中，p為脫硝反應器潛能；mr為nh3/nox摩爾比；η為脫硝效率；
s22：利用式2的插值法預測機組各負荷點的反應器潛能pl；
式中，pl為機組負荷l下的反應器潛能；l為機組實際運行負荷；低為最近一次現場實測的高中低負荷下的反應器潛能；l高、l中、l低為最近一次現場實測時的機組高中低負荷；
s23：利用式3計算脫硝反應器潛能p隨時間的劣化趨勢函數；
式中，λτ為劣化趨勢函數；τ為最近一次催化劑更換到當前的累積運行時間；a為時間常數；
s24：基於最近一次現場測試計算的機組高中低負荷下的反應器潛能，結合式2和式3計算當前機組實際運行負荷下的scr反應器潛能；
pl，τ＝pl×λτ(4)
式中，pl，τ為機組當前實際運行負荷l下的scr反應器潛能；
s25：用式5實時計算氨逃逸預測值；
式中，為氨逃逸預測值；pl，τ為當前機組實際負荷l下的脫硝反應器潛能；cnox，in為scr入口運行在線顯示的nox濃度。
優選地，時間常數a的取值範圍在50000h-100000h之間。
採用上述技術方案，本發明至少包括如下有益效果：
本發明所述的氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法，利用定期現場測試的脫硝反應器潛能來預測氨逃逸濃度的方法，可實時根據scr反應器入口煙氣條件和運行脫硝效率，預測實際的氨逃逸濃度，據此合理控制噴氨流量和脫硝效率，並及時預警脫硝性能提效，控制和減少氨逃逸濃度，減輕對下遊空氣預熱器的硫酸氫銨堵塞影響。
附圖說明
圖1為本發明所述的氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法的流程示意圖；
圖2為現場測試的原理圖。
其中：1為鍋爐，2為鍋爐省煤器，3為scr入口煙氣，4為scr反應器，5為催化劑層，6為出口nox、nh3測點，7為入口nox、nh3測點。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，為符合本發明的一種氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法，包括如下步驟：
s1：現場測試scr反應器入口和/或出口的nox濃度、nh3/nox摩爾比、脫硝效率和氨逃逸濃度；
s2：利用所述步驟s1獲取的數據，計算當前機組實際運行負荷下的scr反應器潛能，並根據dcs錶盤顯示的scr反應器入口的nox濃度和脫硝效率實時預測氨逃逸濃度；
s3：根據氨逃逸濃度預測值和預先設計的氨逃逸濃度上限值，預測未來一段時間內的氨逃逸濃度，並通過人工或者自動化的方式控制噴氨量。
優選地，所述步驟s1具體包括：
在機組高、中、低3個負荷點下現場測試scr反應器入口的nox濃度、nh3/nox摩爾比、脫硝效率和氨逃逸濃度。
優選地，所述步驟s2具體包括：
s21：利用式1計算各負荷點的脫硝反應器潛能p；
式中，p為脫硝反應器潛能；mr為nh3/nox摩爾比；η為脫硝效率；
s22：利用式2的插值法預測機組各負荷點的反應器潛能pl；
式中，pl為機組負荷l下的反應器潛能；l為機組實際運行負荷，mw；為最近一次現場實測的高中低負荷下的反應器潛能；l高、l中、l低為最近一次現場實測時的機組高中低負荷，mw；
s23：利用式3計算脫硝反應器潛能p隨時間的劣化趨勢函數；
式中，λτ為劣化趨勢函數；τ為最近一次催化劑更換到當前的累積運行時間，h；a為時間常數；
s24：基於最近一次現場測試計算的機組高中低負荷下的反應器潛能，結合式2和式3計算當前機組實際運行負荷下的scr反應器潛能；
pl，τ＝pl×λτ(4)
式中，pl，τ為機組當前實際運行負荷l下的scr反應器潛能；
s25：用式5實時計算氨逃逸預測值；
式中，為氨逃逸預測值，mg/m3；pl，τ為當前機組實際負荷l下的脫硝反應器潛能；cnox，in為scr入口運行在線顯示的nox濃度，mg/m3。
優選地，時間常數a的取值範圍在50000h-100000h之間。
優選地，所述步驟s3中的氨逃逸濃度上限值≤2.28mg/m3。
為解決在線cems儀表檢測不可靠所引發的氨逃逸過大和下遊硫酸氫銨堵塞問題，在對scr脫硝性能的內在規律研究基礎上，本發明提出利用現場定期測定的脫硝反應器潛能來預測實際運行氨逃逸濃度的方法，用於控制脫硝噴氨量和預警脫硝性能提效。技術方案具體如下：
1)定期每年一次，至少在機組高、中、低(常規為100％、75％、50％)3個負荷點下現場測試scr反應器入口nh3/nox摩爾比、脫硝效率和氨逃逸濃度，用式1計算各負荷點的脫硝反應器潛能p，利用插值法(式2)預測機組45-100％負荷範圍內各負荷點的反應器潛能pl。其中數據獲取方法參見附圖2，其中鍋爐1，鍋爐省煤器2，scr入口煙氣3，scr反應器4，催化劑層5，出口nox、nh3測點6，入口nox、nh3測點7。通過在出口nox、nh3測點6和入口nox、nh3測點7進行現場測試。
式中：
p為脫硝反應器潛能；mr為nh3/nox摩爾比；η為脫硝效率；pl為機組負荷l下的反應器潛能；l為機組運行負荷，mw；為最近一次現場實測的高中低負荷下的反應器潛能；l高、l中、l低為為最近一次現場實測時的機組高中低負荷，mw。
2)根據多次現場測試評估的scr反應器潛能p，回歸反應器潛能p隨時間的劣化趨勢函數(式3)。受催化劑本體質量、入口煙氣中的化學元素和飛灰堵塞磨損程度的不同，反應器潛能劣化函數的時間常數a在50000h到100000h之間變化，時間常數越大，表明催化劑的劣化速率越慢。
式中：
λτ為反應器潛能劣化函數；τ為最近一次催化劑更換到當前的累積運行時間，h；a為時間常數。
3)基於最近一次現場測試計算的機組高中低負荷下的反應器潛能，利用式2和式3計算當前機組實際運行負荷下的scr反應器潛能pl，τ。
pl，τ＝pl×λτ(4)
式中：pl，τ為機組當前實際運行負荷l下的scr反應器潛能。
4)根據脫硝反應器性能與nh3/nox摩爾比、脫硝效率之間的內在對應關係，根據式4預測的當前機組實際運行負荷下的反應器潛能，針對scr實際運行入口nox濃度和脫硝效率，用式5實時預測氨逃逸濃度。
式中：
為實時預測的氨逃逸濃度，mg/m3；pl，τ為當前機組實際負荷l下的脫硝反應器潛能；cnox，in為scr入口運行在線顯示的nox濃度，mg/m3。
5)scr噴氨量越大，脫硝效率越高，出口nox濃度越低，氨逃逸濃度越大。實際運行過程中，應控制噴氨量使nox排放濃度小於超低排放50mg/m3限值。根據實際運行的scr入口nox濃度和脫硝效率，用式5實時預測scr氨逃逸濃度。當氨逃逸濃度大於設計上限(常規為2.28mg/m3，部分高硫煤機組為1.5mg/m3)和nox排放濃度遠小於50mg/m3時，應逐漸減少噴氨量，將nox排放濃度提高到40-50mg/m3，適當降低脫硝效率和氨逃逸濃度，減輕下遊空氣預熱器的硫酸氫銨堵塞。根據氨逃逸預測值，既可人工手動控制噴氨量，也可納入噴氨控制邏輯中實現自動控制。
6)隨運行時間增加，scr反應器潛能逐漸降低，在控制相同的脫硝效率下，氨逃逸濃度會逐漸增加。針對scr入口nox濃度，在確保nox達標排放的前提下，用式4和式5預測未來半年、1年後機組全負荷範圍內各負荷點的氨逃逸濃度。當預測的氨逃逸濃度接近或者大於設計上限時，應根據氨逃逸濃度預警提前做好脫硝提效決策，如停機提效改造時間，催化劑層增加、更換、再生方案等。
下面以一個實施例進行具體說明。
該600mw機組scr煙氣脫硝裝置按「2+1」模式布置3層催化劑，其中第一、二層在2009年11月安裝，第三層在2014年5月安裝。以此機組為案例，結合部分現場測試數據，對氨逃逸濃度實時在線預測與控制方法的實施方式加以說明：
1)定期每年在機組檢修後，每次至少在高、中、低3個負荷點下，利用反應器進出口煙道截面網格法布置的煙氣取樣裝置，採集和分析nox濃度分布，並在反應器出口選擇6個代表點採集和分析氨逃逸濃度，用算術平均法計算反應器進出口的nox平均濃度和出口氨逃逸平均濃度。在機組高、中、低負荷點下，分別用式1計算scr反應器潛能。
下表1是在2014年和2016年現場測試的scr性能數據。
表1
2)兩次現場測試的實際運行間隔時間約19375h，計算反應器潛能劣化時間常數約為97000h。結合最近一次的現場測試值，可用式4可預測當前機組實際運行負荷點下的scr反應器潛能。
3)根據機組dcs監測的機組負荷、脫硝反應器進口nox濃度、脫硝效率，用式5實時預測氨逃逸濃度，可指導運行人員合理調節噴氨量，避免氨逃逸濃度超過設計上限。
4)基於2016年12月測試的反應器潛能及其劣化規律，按照當前的scr入口nox濃度、脫硝效率，預測氨逃逸濃度達到2.28mg/m3上限前，還可繼續運行約4500h。屆時，需通過第一層催化劑更換或者第一二層催化劑再生等方式，提高scr脫硝性能，使氨逃逸濃度降低到設計上限以下，並長期運行。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。